Основные свойства твердых горючих ископаемых, влияющие на их газификацию

Спекаемость топлива. Некоторые угли (преимущественно каменные) в области температур 400-450 °С начинают переходить в пластическое состояние благодаря образованию жидких продуктов их термического разложения. При 510-520 °С пластическая масса начинает затвердевать, а к 600 °С процесс спекания завершается. Спекаемость зависит от содержания в топливе летучих и их состава, характеризуемого показателем, отражающим соотношение количества углеводородных и кислородсодержащих соединений в летучих продуктах. Чем выше указанный показатель, тем интенсивнее спекается топливо. К неспекающимся топливам относятся торф, бурые угли, антрациты, тощие и длиннопламенные каменные угли. Спекаемость углей интенсифицируется при быстром нагревании и повышенном давлении, но замедляется под действием кислорода и диоксида углерода. Спекаемость – нежелательное явление, и для ее устранения при проведении газификации в плотном слое применяют различные перемешивающие устройства, поддерживающие слой в разрыхленном состоянии. Кроме того, в ряде случаев предварительно обрабатывают топливо кислородсодержащими газовыми смесями при таких температурах и концентрациях кислорода, которые недостаточны для воспламенения. При газификации твердых горючих ископаемых в псевдоожиженном слое их частицы спекаются значительно слабее.

Шлакообразующая способность топлива – свойство его минеральной части превращаться в прочную спекшуюся или сплавленную массу (шлак) под действием высоких температур и газовой среды. Обычно шлак появляется в газогенераторе при нарушениях режима. Он отличается от золы топлива (которая представляет собой порошкообразный продукт) физическим состоянием и химическим составом - помимо негорючей минеральной части в шлаке содержится некоторое количество непрореагировавшего углерода.

Важнейшими компонентами минеральной части топлива являются карбонаты (СаСО₃, МgСО₃, FеСО₃), сульфаты (СаSO₄, Na₂SО₄, FеSO₄), сульфид железа (FеS₂), кремнезем (SiO₂), а также оксиды — Аl₂О₃, СаО, Nа₂О и К₂О.

Согласно современным представлениям, основным источником образования шлака являются минеральные компоненты, привнесенные в угольный пласт на стадии геохимических преобразований топлива. Они тонко рассеяны по всей органической массе угля и при термическом воздействии оплавляются. Минеральные породы, находящиеся в пласте в виде прослоек и попадающие в топливо при добыче, как правило, хорошо удаляются на стадии обогащения.

Минеральные компоненты, переходящие в топливо из исходных растительных материалов в период его образования, «защищены» углеродной частью топлива. Они не подвергаются действию высоких температур до тех пор, пока не выгорит весь углеродный остаток, и по этой причине не способствуют шлакообразованию.

Гранулометрический состав топлива оказывает существенное влияние на его газификацию. Независимо от способа осуществления этого процесса во всех случаях желательно подвергать переработке частицы, максимально однородные по размерам. В реальных же условиях всегда приходится иметь дело с частицами разных размеров. Многолетней практикой выработаны следующие рекомендации по данному вопросу. Для газогенераторов с плотным слоем топлива соотношение между максимальным и минимальным размерами частиц не должно быть больше 2:1. При этом нижний предел определяется механической прочностью топлива. Для бурых углей, имеющих низкую механическую прочность, минимальный размер частиц составляет 25 мм, для каменных 10—12 мм, для кокса и антрацита ~6 мм.

Для газогенераторов с псевдоожиженным слоем применяют частицы более широкого диапазона размеров (от 1 до 10 мм). Для указанных способов газификации крайне нежелательно присутствие в топливе мелочи и пыли (частиц с размерами менее 1 мм), так как при этом процесс протекает нестабильно, интенсифицируется шлакование газогенератора. Содержание пыли и мелочи не должно превышать 10—12 %.

Зольность топлива существенно влияет на конструкцию и эффективность работы газогенератора. Особенно отрицательно на процессе газификации сказывается неравномерность распределения в топливе кусков породы, если они не удалены при обогащении. При любом способе осуществления процесса желательно перерабатывать топливо с минимальным содержанием золы. Практика показала, что при газификации с удалением золы в твердом состоянии как в стационарном, так и в псевдоожиженном слое можно использовать топлива с зольностью 15-20 %, а при жидком шлакоудалении допустима зольность 50-60 %.

Влажность газифицируемых топлив желательно поддерживать минимальной, так как в присутствии воды определенное количество тепла расходуется на ее испарение, а это ухудшает технико-экономические показатели процесса. При повышенной влажности топлива неравномерно прогреваются верхние слои загрузки, искажается профиль гидравлического сопротивления отдельных участков, и нарушается ход. Допустимая влажность топлива для различных вариантов процесса такова: при газификации в стационарном слое при атмосферном давлении на паровоздушном или парокислородном дутье 40-50 %; то же, при 2-2,5 МПа 30-33 %; при газификации в псевдоожиженном слое 20-25 %.

Реакционная способность топлива, характеризуемая скоростью его взаимодействия с газифицирующими агентами, тоже заметно влияет на процесс.. Термодинамические расчеты показывают, что эта реакция должна полностью завершиться при ~ 950 °С. Однако в реальных условиях в зависимости от свойств исходного топлива требуется разная температура. При использовании самого реакционноспособного топлива торфяного кокса полученные результаты наиболее близки к термодинамическим данным. Для древесного угля конечная температура реакции равна 1150 °С, для кокса – 1300 °С, а для антрацита при 1300 °С содержание оксида углерода в газе составляет менее половины от потенциально возможного.

В зависимости от реакционной способности различных видов топлива определяют целесообразность их газификации тем или иным способом. В частности, молодые топлива (торф, бурые угли), имеющие высокую активность по отношению к газифицирующим агентам, наиболее пригодны для газификации в мелкозернистом виде (в псевдоожиженном слое и пылеугольном факеле) и при повышенном давлении. Топлива с низкой реакционной способностью (антрацит, тощие каменные угли, кокс), которые необходимо перерабатывать при более высоких температурах, целесообразнее газифицировать в газогенераторах с жидким шлакоудалением.

Вопросы для самопроверки

1. Каково назначение процесса газификации твердых топлив?

2. Назовите газифицирующие агенты.

3. Как классифицируют методы осуществления газификации?

4. Каков элементный состав газов процесса газификации?

5. Какие свойства сырья влияют на его газификацию?

6. Каково аппаратурно-технологическое оформление газификации?